Metalurgia proszków. Dr inż. Hanna Smoleńska Materiały edukacyjne DO UŻYTKU WEWNĘTRZNEGO Część I

Transkrypt

1 Metalurgia proszków Dr inż. Hanna Smoleńska Materiały edukacyjne DO UŻYTKU WEWNĘTRZNEGO Część I

2 Literatura 1. Aleksander Cyunczyk; Podstawy inżynierii spieków metalowych 2. Władysław Rutkowski; Metalurgia proszków 3. Leszek Dobrzyński; Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach 4. Jerzy Nowacki; Spiekane metale i kompozyty z osnową metaliczną

3 METALURGIA PROSZKÓW DEFINICJA Metalurgią proszków nazywamy metodę wytwarzania metali z ich proszków, bez przechodzenia przez stan ciekły. Oddzielne ziarna proszków łączą się ze sobą w jednolitą masę podczas wygrzewania silnie sprasowanych kształtek w atmosferze redukującej lub obojętnej.

4 ZASTOSOWANIE Metodę tą najczęściej wykorzystuje się wtedy ( ale nie tylko), gdy metody topnienia i odlewania zawodzą. Z tego powodu metodami metalurgii proszków wytwarzamy: metale trudno topliwe jak np. wolfram, molibden, tantal, iryd; spieki metali i niemetali wykazujących znaczne różnice temperatury topnienia jak np. materiały na styki elektryczne z wolframu i srebra, szczotki do maszyn elektrycznych z grafitu i miedzi; materiały porowate na łożyska samosmarujące; materiały, które w stanie ciekłym są gęstopłynne i trudne do odlewania jak np. materiały na specjalne magnesy trwałe.

5

6 ZALETY METODY MP Metody metalurgii proszków są kosztowne, jednak dzięki ich zastosowaniu można otrzymywać : materiały o ściśle określonym składzie chemicznym i wysokim stopniu czystości drobnoziarnistą strukturę materiałów własności izotropowe eliminacja lub minimalizacja obróbki maszynowej eliminacja lub minimalizacja strat materiałów na wióry, nadlewy, ścinki itp. duża dokładność wymiarowa otrzymanych wyrobów możliwość stosowania szerokiego wyboru stopów wysoka jakość powierzchni gotowego wyrobu otrzymany materiał może podlegać obróbce cieplnej w celu podwyższenia własności wytrzymałościowych lub odporności na zużycie zapewniona kontrola porowatości materiału dla wyrobów typu łożyska samosmarowne lub filtry możliwość uzyskania wyrobów o skomplikowanych kształtach niemożliwych lub trudnych do uzyskania innymi metodami korzystna w przypadku produkcji średnio i wielko seryjnej oferuje długotrwałą żywotność wyrobów efektywność kosztowa.

7 Porównanie kosztu wyrobów produkowanych metodą metalurgii proszków (1) oraz innymi technikami (2)

8 Przykłady wyrobów otrzymywanych metodą metalurgii proszków

9 ETAPY Produkcja wyrobów dzieli się na następujące podstawowe etapy: wytwarzanie proszków metali, formowanie proszków prasowanie, spiekanie, ewentualna obróbka wykańczająca

10 1. Wytwarzanie proszku 2. Przygotowanie i mieszanie proszku 3. Formowanie i prasowanie 4. Spiekanie 5. Kalibrowanie 6. Inne obróbki wykańczające

11 Własności wyrobów spiekanych są podobne do własności odlewów lub materiałów walcowanych o podobnym składzie chemicznym. Porowatość może być regulowana poprzez stopień sprasowania. Zwykle po pojedynczym procesie prasowania następuje wzrost wytrzymałości ale plastyczność nie jest wysoka. Można to poprawić w drodze ponownego prasowania. Materiał Wytrzymałość na rozciąganie [MPa] Jako procent wytrzymałości żelaza Wydłużenie [%] Żelazo walcowane na gorąco % 30% Proszek metalu prasowany, gęstość 84% % 2% Proszek metalu prasowany ponownie, gęstość 95% % 25%

12 Badanie proszków metali i właściwości technologiczne

13 Skład chemiczny Kontrola składu chemicznego jest prowadzona typowymi metodami analizy chemicznej. Podstawowe badanie oznaczenie zawartości tlenu w proszku najczęściej metoda oznaczania straty wodorowej (pomiar zmniejszenia się masy proszku w wyniku wyżarzania w wodorze lub wodorze z azotem) X H = m m 2 2 m m % X H strata wodorowa m 1 - masa łódki [g] m 2 masa łódki z proszkiem przed wyżarzaniem [g] m 3 masa łódki z proszkiem po wyżarzaniu [g]

14

15 Kształt cząstek określa się za pomocą mikroskopu optycznego. Od kształtu cząstki zależy sypkość proszku oraz jego podatność w procesach formowania. Kształt zależy od sposobu wytwarzania (głównie), chociaż może ulegać zmianom w dalszych operacjach przygotowawczych przed formowaniem kształtek

16

17 Jednoznaczna charakterystyka kształtu i wymiarów cząstki jest możliwa tylko dla cząstek kulistych. Dla cząstek nieregularnych jedną z metod opisu jest metoda Hausnera ; za pomocą 4 parametrów: a i b wymiary najmniejszego prostokąta opisanego na rzucie cząstki w jej stabilnym położeniu; A pole powierzchni rzutu C obwód rzutu Na tej podstawie określa się trzy wskaźniki charakteryzujące kształt cząstki proszku x = a/b stosunek skrajnych rozmiarów y = A/(ab) - stopień wypełnienia prostokąta przez cząstkę z = C 2 /(12,6A) stosunek powierzchni cząstki nieregularnej do powierzchni cząstki kulistej o tej samej objętości

18

19 Oznaczanie wielkości cząstek proszku najbardziej rozpowszechniona metoda to analiza sitowa, która umożliwia podział proszku na frakcje, czyli partie o rozmiarach cząstek mieszczących się w określonych przedziałach. Określa się masę każdej frakcji i oblicza ich udział w badanej próbce.

20

21 histogram rozmiarów cząstek proszku Najkorzystniejszy opis rozkładu to funkcja logarytmiczno-normalna

22 Własności technologiczne proszków Gęstość nasypowajest to stosunek masy proszku, zsypanego przez znormalizowany przyrząd, do objętości zajmowanej przez ten proszek. Jest to cecha proszku o luźnym układzie cząstek. Możliwe jest także wyznaczanie gęstości nasypowej z usadem. m ps masa proszku swobodnie zasypanego do formy [g] V pl objętość proszku swobodnie zasypanego do formy [cm 3 ]

23

24

25 Sypkość proszku Xp określa czas przesypywania masy próbki przez lejek o ustalonym kształcie. W praktyce jest to czas przesypywania 50 gramowej próbki proszku przez lejek Halla z otworem ø2,5, wyrażona w sekundach. Znajomość sypkości umożliwia określenie czasu potrzebnego na wypełnienie proszkiem matrycy. Największą sypkość maja proszki kuliste. t s czas przesypywania w sekundach f współczynnik korygujący C cecha lejka, tj. czas wylewania się 100 cm 3 wody destylowanej w sekundach. Prawidłowa wartość to 25±2 s

26 Zagęszczalność proszku podatność proszku do zmniejszania objętości w wyniku prasowania w matrycy. Pomiar polega na określeniu zmian gęstości wyprasek wytworzonych w matrycy cylindrycznej w zależności od ciśnienia prasowania. Z = ρ w P min ρ w gęstość względna wypraski ( stosunek gęstości wypraski do gęstości materiału, z którego wytworzony jest proszek, %) P min najmniejsze ciśnienie, przy którym gęstość względna wypraski ρ w jest równa 65%, N/mm 2

27

28 Formowalność proszku zdolność proszku do zachowania kształtu w wyniku prasowania w matrycy. Oznaczenie polega na określeniu minimalnej i maksymalnej miejscowej gęstości ρ 1 i ρ 2 wypraski wykonanej w specjalnej matrycy.

29 Minimalną gęstość określa się w najmniej sprasowanym miejscu, w którym wypraska jeszcze się nie obsypuje, a maksymalną w najbardziej sprasowanym miejscu, w którym jeszcze nie występują pęknięcia. Po ustalenie odległości tych punktów od niższej ściany wypraski, odczytuje się z wykresu porowatość P 1 (obsypywanie krawędzi) i P 2 (pęknięcia) i oblicza się gęstość minimalną ρ 1 i maksymalną ρ 2 ρ 1 = ρ (1 - P 1 ), g/cm 3 ρ 2 = ρ (1 P 2 ), g/cm 3 Formowalność umożliwia określenie najmniejszych ciśnień prasowania dla uzyskania prawidłowych wyprasek. Najlepszą formowalność wykazują proszki o rozwiniętej powierzchni i frakcji 0,063-0,125 mm

30

31 Wytwarzanie proszków metali

32 Wytwarzanie proszków obejmuje zespół procesów mechanicznych i fizykochemicznych, które mają na celu uzyskanie określonego materiału w postaci proszku. Proszek może być produktem mechanicznego rozdrobnienia materiału bez zmiany jego składu chemicznego albo też uzyskuje się go jako produkt reakcji chemicznych z innych substancji.

33

34

35 Wybór odpowiedniej metody wytwarzania proszków zależy od własności, jakich oczekuje się od produktu oraz od kalkulacji ekonomicznej: mielenie w młynach kulowych, kulowo - udarowych, wibracyjnych, wirowo - udarowych czy kruszarkach - otrzymany proszek jest drobnoziarnisty, a metody te stosuje się do rozdrabniania materiałów kruchych. obróbka skrawaniem - piłowanie, szlifowanie, zdzieranie - metoda ta jest najczęściej stosowana do produkcji proszków magnezu do celów pirotechnicznych. rozpylanie polega na rozbiciu na krople strugi ciekłego metalu lub metalu stopionego lokalnie w wyniku działania sprężonych gazów lub cieczy, sił mechanicznych lub ultradźwięków. Metodą tą wytwarza się proszki żelaza, stali, aluminium, stopów cynku, cyny i ołowiu. metoda parowania i kondensacji. Proces otrzymywania proszku polega w pierwszym etapie na przeprowadzeniu litego metalu w stan gazowy, natomiast w drugim stadium na wywołaniu kondensacji par metalu na chłodzonych powierzchniach. Metodą tą wytwarza się proszki metali cechujących się wysoką prężnością par w stosunkowo niskiej temperaturze - cynk, magnez, kadm i beryl.

36 redukcja związków metali, głównie tlenków w ośrodku stałym (koks, węgiel drzewny) lub gazowym (wodór, gaz konwertorowy) polega na wywołaniu reakcji chemicznych prowadzących do uzyskania czystego metalu lub jego tlenku niższego rzędu. metalotermia redukcja związków metali (tlenków, halogenków) innymi metalami, które wykazują większe powinowactwo do metaloidu w warunkach prowadzonego procesu niż redukowany metal. Redukcji metalotermicznej poddaje się przede wszystkim związki metali ziem rzadkich. elektroliza - wodny roztwór lub stopiona sól metalu ulega elektrolizie wskutek przepływu prądu stałego. Jony metalu pochodzące z roztworu lub z rozpuszczalnej anody wykonanej z metalu przerabianego na proszek tworzą na katodzie gąbczasty osad, który rozdrabnia się mechanicznie (Cu, Fe, Ag, Ni, Mn i inne proszki o wysokiej czystości synteza i dysocjacja karbonylków w początkowym etapie związek chemiczny MeB reaguje z tlenkiem węgla. Produktem reakcji jest karbonylek metalu Me(CO)X w stanie gazowym. W drugiej fazie karbonylek ulega dysocjacji termicznej związanej z wydzielaniem czystego metalu i tlenku węgla powracającego ponownie do reakcji ze związkiem metalu. Metoda stosowana jest głównie do produkcji proszków niklu i żelaza. Jest kosztowna i niebezpieczna.

37 a) metoda chemiczna gąbczaste żelazo jako wynik redukcji rudy b) metoda elektrolityczna miedź c) metoda mechaniczna mielony proszek aluminium d) rozpylanie wodne żelazo e) rozpylanie gazowe stop na bazie niklu

38 Własności cząstek

39 Mechaniczne metody wytwarzania proszków z metalu w stanie stałym

40 Rozdrabnianie w kruszarkach szczękowych Rozdrabnianie w młynach kulowych Rozdrabnianie w młynach wirowych Wytwarzanie proszków metodą Coldstream Rozdrabnianie w młynach wibracyjnych Rozdrabnianie w młynach planetarnych Rozdrabnianie w attritorach

41

42 Rozdrabnianie materiału w bębnie kulowym Materiał wstępnie rozdrobniony w postaci odcinków drutu lub obcinków blach jest zawirowany przez dwa śmigła obracające się w przeciwnych kierunkach. Sprężone powietrze unosi rozdrobniony materiał z przestrzeni roboczej do segregatora, z którego najgrubsze cząstki zawracają do dalszego rozdrabniania. Cząstki proszku o kształcie płatkowym i talerzykowatym cechują się niską zawartością tlenu. Po usunięciu skutków zgniotu proszek daje się łatwo zagęszczać. Mimo dobrych własności proszku młyny wirowo-udarowe są obecnie rzadko stosowane z uwagi na ich dużą energochłonność. Młyn wirowo-udarowy "Hametag". 1-komora robocza, 2-śmigła, 3-lej zasypowy, 4-sprężarka, 5-segregator, 6-osadnik.

43

44 . Wytwarzanie proszków kompozytowych w attritorze a).początkowy etap mielenia: cząstki proszku niklu są spłaszczone, faza dyspersyjna osadza się na ich powierzchniach, b). etap pośredni: płatkowe cząstki niklu powstają w dalszym ciągu, prócz tego łączą się z fazą dyspersyjną; c) cząstki kompozytu.

45 Wytwarzanie proszków metodą Coldstream Metodą Coldstream ( The Coldstream Process") można wytwarzać proszki materiałów zarówno kruchych, jak i plastycznych. Za pomocą wysoko sprężonego gazu (p>7 MPa) materiał wsadowy (wióry, odcinki drutu, odłamki) jest wprowadzany do komory rozprężnej poprzez dyszę Venturiego. Materiał poruszający się z prędkością rozchodzenia się dźwięku w powietrzu, ulegając znacznemu ochłodzeniu wskutek adiabatycznego rozprężenia gazu, zwiększa swoją kruchość. W komorze rozprężnej znajduje się płyta pancerna, na którą trafia wsad ulegając rozbiciu. Grube cząstki są oddzielane i podobnie jak gaz uczestniczą ponownie w procesie rozdrabniania. Wielkość cząstek gotowego proszku wynosi ok. 5 µm. Metodę stosuje się do wytwarzania proszków stali szybkotnącej, superstopów oraz węglików ze złomu węglikowego.

46 Schemat wytwarzania proszków metali metodą The Coldstream Process"

47 Mechaniczne metody wytwarzania proszków z metalu w stanie ciekłym

48 Granulacja Proces rozpylania Wytwarzanie proszku żelaza metodą RZ Wytwarzanie proszków metali metodą rozpylania wodą Wytwarzanie proszku metali w procesie ASEA-STORA Wytwarzanie proszku aluminium Rozpylanie miedzi i stopów miedzi Rozpylanie metali łatwo topliwych

49

50 Rozpylanie parą wodną

51 Rozpylanie gazowe

52 Schemat urządzenia do otrzymywania proszków metali przez rozpylanie metodą DPG (połączenie rozpylania wodnego z mechanicznym rozdrabnianiem); 1 ciekły metal, 2 lejek z dyszą, 3 woda, 4 wirująca tarcza z łopatkami-klinami

53

54

55 METODY FIZYKOCHEMICZNE

56 KONDENSACJA PAR METALI W drodze procesów fizykochemicznych otrzymuje się proszki o wyższej czystości. Procesy te polegają na zestalaniu par metali (kondensacji) co prowadzi do uzyskania proszków jeszcze drobniejszych niż w procesie rozpylania. Metoda ta ma duże zastosowanie w wyrobie proszków cynku. Tlenek cynku jest redukowany węglem, a odparowujący cynk ulega następnie zestalaniu w postaci drobnego proszku, który pokrywa się cienką błonką tlenku, zabezpieczającą go przed spieczeniem.

57 REDUKCJA ZWIĄZKÓW CHEMICZNYCH W PODWYŻSZONEJ TEMPERATURZE. Odbywa się w piecach z atmosferą redukującą w podwyższonej temperaturze. W urządzeniach tych redukowany tlenek jest umieszczony w łódeczkach metalowych, przesuwanych ruchem ciągłym przez długą komorę pieca w przeciwnym kierunku do ruchu gazu redukującego jakim najczęściej jest wodór. Ponieważ zbyt wysoka temperatura spowodowałaby rozrost ziarn i spiekanie proszków w jednolitą masę, proces ten przebiega w znacznie niższej temperaturze od topnienia tlenku metalu. Metoda ta ma zastosowanie do wytwarzania proszków wolframu, molibdenu, niklu, kobaltu i miedzi.

58 REDUKCJA STOPIONYCH SOLI. Tą metodą można otrzymać proszki berylu, tytanu, cyrkonu, niobu, tantalu i uranu poprzez stopienie pod znacznym ciśnieniem pewnych soli tych metali z metalami alkalicznymi (sód, potas) lub metalami ziem alkalicznych (magnez, wapń). Najczęściej stosowanymi solami są: chlorki, fluorki lub sole podwójne. Uzyskany w wyniku redukcji produkt ługuje się w wodzie (filtruje), a następnie oczyszcza.

59 WYTWARZANIE WĘGLIKÓW Polega na ogrzewaniu proszków metali zmieszanych z drobną sadzą w temperaturze C. W ten sposób wytwarza się proszki węglików molibdenu, wolframu, tytany i inne. Często wytwarza się węgliki przez nawęglanie tlenków metali, które następnie zostają mechanicznie rozdrobnione. Wytworzone ta metodą proszki stosowane są do wyrobów materiałów twardych.

60 Wytwarzanie proszków metali metodą redukcji tlenków Wytwarzanie proszków metali wysokotopliwych Wytwarzanie proszków miedzi, niklu i kobaltu. Wytwarzanie proszku tytanu. Wytwarzanie proszku tantalu Wytwarzanie proszku uranu Wytwarzanie proszku chromu Wytwarzanie proszku żelaza

61 Schemat wytwarzania proszku żelaza metodą Hoganas

62 Tlenki żelaza redukuje się najczęściej węglem, a powstały gąbczasty produkt reakcji rozdrabnia się na proszek. Głównymi czynnikami sterującymi procesem redukcji są: przebieg zmian temperatury, nadmiar reduktora, wielkość cząstek redukowanego tlenku przepuszczalność i grubość jego warstwy tlenku Składniki surowiec: koncentrat magnetytowy otrzymany z rudy po jej zmieleniu na cząstki wielkości mniejszej od 0,5mm (70-75% Fe) i wysuszony w piecu reduktor : antracyt lub miał koksowy. dla związania siarki zawartej we wsadzie do procesu wprowadza się również kamień wapienny Temperatura w strefie grzewczej pieca wynosi 1260 C. Przejazd przez piec trwa prawie 3 doby.

63 Wytwarzanie proszków metali wysokotopliwych Schemat pieca przepychowego do redukcji tlenków metali wodorem. 1 - stalowa rura, 2 - piec, 3 - łódki z wsadem, 4 - chłodnica, 5 - doprowadzenie wodoru WO 3 + 3H 2 = W + 3H 2 0 (900 C) Wolfram, molibden i ren otrzymuje się niemal wyłącznie na drodze redukcji tlenków tych metali wodorem. Surowiec: wzbogacone rudy wolframowe Proces: Wyżarzanie w wysokiej temperaturze z sodą lub z wrzącym kwasem solnym Skutek: Produktem dysocjacji termicznej kwasu wolframowego H 2 WO 4 lub parawolframianu amonowego 5(NH WO 3 11H 2 O jest tlenek wolframu WO 3 (ilość domieszek nie powinna przekraczać 0,1 % - i wielkości cząstek ok. l µm)

64 Wytwarzanie proszku tytanu Spośród wielu wariantów wytwarzania proszku tytanu metodą redukcji metalotermicznej, największe znaczenie techniczne ma proces redukcji gazowego czterochlorku tytanowego TiCl 4 metalicznym magnezem w atmosferze ochronnej argonu (metoda Kroiła). Reakcja redukcji TiCl Mg = Ti + 2 MgCl 2 jest egzotermiczna i szybkością doprowadzania TiCl 4 reguluje się, temperaturę procesu utrzymując ją na poziomie C. Proces redukcji przebiega okresowo w hermetycznym reaktorze do chwili wyczerpania się magnezu. Gąbkę tytanową, która jest produktem redukcji, poddaje się ługowaniu lub destylacji próżniowej w celu usunięcia z niej magnezu i chlorku magnezowego. Jeśli stosuje się zabieg ługowania otrzymuje się bezpośrednio tytan w postaci proszku, który jest jednak zanieczyszczony. Tytan wyższej czystości uzyskuje się w wyniku destylacji próżniowej, lecz w tym przypadku trzeba wykonać mechaniczne rozdrabnianie gąbki.

65 Schemat urządzenia do metalotermicznej redukcji czterochlorku tytanowego magnezem. l - korpus reaktora z pokrywą, 2 - piec, 3 - doprowadzenie gazowego TiCl 4, 4 - doprowadzenie argonu, 5 - gąski magnezu

66 Wytwarzanie proszku tantalu Tantal zaliczany jest do metali wysokotopliwych. Jedną z głównych metod wytwarzania proszku tego metalu jest redukcja sodotermiczna fluorotantalanu potasowego K 2 TaF 7 K 2 TaF Na = Ta + 5 NaF + 2 KF Fluorotantalan potasowy oraz kawałki sodu ładuje się warstwami do tygla żelaznego lub niklowego. Początek procesu inicjuje się przez nagrzanie tygla. W temperaturze redukcji C - sód znajduje się w stanie pary, co zapewnia rozległy kontakt reagentów ze sobą. Proszek będący produktem redukcji prawie nie zawiera wolnego sodu. Po oczyszczeniu kwasami siarkowym i fluorowodorowym uzyskuje się proszek czystego tantalu (99,5%).

67 METODA KARBONYLKOWA Polega na działaniu pod znacznym ciśnieniem tlenku węgla na rudy żelaza lub niklu. Efektem reakcji są ciekłe związki, tzw. karbonylki. Do wytwarzania proszków stosowane są głównie czterokarbonylek niklu lub pięciokarbonylek żelaza. Związki te w podwyższonej temperaturze nie są trwałe i ulegają łatwo rozkładowi na metal i tlenek węgla. Metal wydziela się w postaci proszku w specjalnych zbiornikach, a uwolniony gazowy tlenek węgla powraca znowu do procesu. Metoda ta stosowana jest głównie do żelaza i niklu, jakkolwiek inne metale tworzą także karbonylki. Uzyskane tą metodą proszki odznaczają się znaczną czystością, dlatego stosuje się je do wyrobu ważniejszych materiałów, jak np. materiały magnetyczne, próżniowe, elektryczne itp. Ze względu na ich dobrą prasowalność stosowane są również do wytwarzania produktów o złożonych kształtach.

68 METODA ELEKTROLITYCZNA W zależności od stanu i rodzaju elektrolitu rozróżnia się dwie odmiany: -metoda wydzielania proszków z roztworów wodnych soli - stosuje się do wytwarzania proszków niklu, kobaltu, żelaza, srebra, miedzi. -metoda wydzielania proszków ze stopionych w podwyższonej temperaturze soli metali- stosuje się do uzyskiwania tantalu, niobu, wanadu, cyrkonu, toru, tytanu i uranu W zależności od warunków elektrolizy uzyskuje się albo kruchy osad na katodzie, rozdrabniany później mechanicznie, albo proszek opadający na dno wanny. Metoda ta jest jedną z częściej stosowanych w przemyśle.

69 WYTRĄCANIE ELEKTROCHEMICZNE Proszek metalu jest wydzielany z roztworu soli przez wytrącanie go innym metalem, np. za pomocą miedzi wytrąca się srebro z roztworu wodnego azotanu srebra. Uzyskane w ten sposób proszki podlegają zwykle dalszemu rozdrabnianiu w młynach. Jest to metoda od dawna stosowana do wyrobów proszków srebra, złota, platyny i cyny. W przypadku uranu, toru, cyrkonu i berylu stosuje się wytrącanie proszków w podwyższonej temperaturze ze stopionych soli tych metali. METODY SPECJALNE Mają zastosowanie w specjalnych przypadkach, takich jak np. rozdzielanie (destylacja) stopów składających się z metali różniących się temperaturą topnienia i ciśnieniem pary.

70 Otrzymywanie proszków metodą impulsowo-plazmową Schemat urządzenia

71 W procesie tym część materiału elektrod oraz otaczający je gaz w wyniku silnoprądowych wyładowań impulsowych wytwarzanych pomiędzy elektrodami przechodzi w stan plazmy. Powstała plazma w czasie wyładowania elektrycznego ulega, po nagłym zaniku wyładowania, gwałtownemu rozprężaniu i chłodzeniu. W efekcie powstaje aerozol zawierający, jako fazę rozproszoną, nanokrystaliczne cząstki będące wynikiem krystalizacji materiału powstałego w reakcji plazmowej.

72 Technologia wytwarzania wyrobów z proszków

73

74

75 GOTOWE WYROBY

76 Obróbka proszków

77 1.Sferoidyzacja - jeżeli pożądany jest kształt kulisty proszku a metoda jego wytwarzania tego nie gwarantuje można przeprowadzić dodatkową obróbkę cieplną lub cieplnomechaniczną, która zapewnia zmianę kształtu nieregularnego w kulisty lub kropelkowy. Metody: Swobodne opadanie cząstek w piecu wysokotemperaturowym Sferoidyzacja w płomieniu gazowym lub plazmowym Mielenie w młynach kulowych z wypełniaczem ( twardy proszek ceramiczny) w podwyższonych temperaturach

78 Swobodne opadanie cząstek w piecu wysokotemperaturowym 1- dozownik proszku, 2- elektrody chłodzone wodą, 3- rura węglowa, 4- izolacja cieplna, 5 chłodnica, 6 zbiornik na proszek po sferoidyzacji

79 2. Utlenianie wewnętrzne do wytwarzania proszków kompozytowych. Utlenianiu poddaje się stopy dwuskładnikowe, w których metal osnowy wykazuje mniejsze powinowactwo do tlenu niż dodatek stopowy ( dotyczy stopów: Cu-Al., Cu-Si, Cu-Zr, Ag-Al., Ag-Cd, Ag-In, Ni-Al., Ni-Cr, Fe-Si) Schemat struktury proszku po częściowym utlenianiu wewnętrznym 3. Mechaniczna synteza - Attritor

80 Mieszanie

81 Do prasowanych mas dodaje się składniki zmniejszające tarcie (grafit, stearyny, gliceryny, alkohol, eter, aceton, benzol, benzynę, kamforę w ilościach nieprzekraczających 1% mas) w celu zmniejszenia tarcia i ułatwienia poślizgu między cząstkami proszku i powierzchniami narzędzi. Dodatkowo ułatwienie poślizgu między cząstkami proszku ułatwiające zagęszczenie wypraski. Mieszanie przebiega w młynach kulowych zapewniających odpowiednią agregację cząstek.

82 Zjawiska podczas zagęszczania proszków: Możliwie najściślejsze układanie się cząstek proszku w wyniku załamywania się i likwidacji mostków, względnych obrotów i przemieszczeń cząstek, prowadzących do częściowego zapełnienia mniejszymi cząstkami luk pomiędzy cząstkami większymi Mechaniczne zazębianie się cząstek, szczególnie o rozbudowanej powierzchni i nieregularnym kształcie Trwałe, powierzchniowe odkształcenie cząstek, któremu towarzyszy usuwanie powłok tlenkowych, co prowadzi do utworzenia czystych metalicznych kontaktów między cząstkami Zgniot materiału przejawiający się zwiększeniem jego twardości

83 Zagęszczanie proszków

84 Struktura luźno zasypanego proszku

85 Podstawowe sposoby zagęszczania proszku a) prasowanie w matrycy; b) prasowanie w formie elastycznej lub plastycznej (wielostronny nacisk); c) walcowanie

86

87

88 Formowanie i prasowanie proszków Formowanie proszków polega na jego zagęszczeniu na drodze wywierania ściskania go w zamkniętej przestrzeni. W zależności od wymaganego kształtu elementu, własności proszku dobiera się odpowiednią metodę formowania. Uformowane kształtki posiadają spoistość, wynikającą z połączenia poszczególnych cząstek proszku siłami adhezji, lecz ich wytrzymałość jest niska. Poniżej podano najczęściej używane metody formowania:. prasowanie w matrycach zamkniętych, prasowanie izostatyczne, prasowanie kroczące (z przesuwającą się matrycą), walcowanie, wyciskanie, odlewanie i natryskiwanie, specjalne metody formowania (formowanie i prasowanie dynamiczne i pulsacyjne, prasowanie w polu magnetycznym).

89

90 1. Prasowanie na zimno jednostronne, z pływającą (swobodną) matrycą, dwustronne z przeciwbieżnym ruchem stempli, dwustronne ze współbieżnym ruchem matrycy. Schemat prasowania jednostronnego: a) zasypywanie proszku do matrycy, b) prasowanie, c) usunięcie wypraski; 1 - stempel prasujący (ruchomy), 2 - stempel dolny (stały), 3 - matryca, 4 - kaseta zasypowa, 5 -wyrzutnik, 6 wypraska o wymiarach d i h

91 Schemat prasowania dwustronnego z przeciwbieżnym ruchem stempli: a) zasypywanie proszku do matrycy, b) prasowanie, c) usuwanie wypraski; 1 -stempel górny, 2 - stempel dolny, 3 - matryca, 4 - kaseta zasypowa, 5 wypraska

92

93 2. Prasowanie obwiedniowe Kształtki o przekroju okrągłym, symetryczne do pionowej osi prasowania, można prasować obwiedniowo. Zasada polega na tym, że górny stempel jest odchylony od pionu o kąt α i wykonuje ruch krążący lub wahający. Powierzchnia styku stempla z zagęszczanym materiałem jest mała, co pozwala na zwiększenie ciśnienia wywieranego na materiał i uzyskanie większej gęstości wyrobu. Schemat prasowania obwiedniowego proszków; 1 - stempel obrotowy, 2- proszek, 3 matryca, 4 -. wypychacz

94 3. Formowanie kroczące Podczas prasowania kroczącego proszek zasypany swobodnie do matrycy w kształcie rynny jest prasowany za pomocą stempla o specjalnym kształcie. Po każdym cyklu obciążenia matryca jest przesuwana. Przesunięcie przypadające na jeden cykl nazywa się skokiem prasowania. Sposób ten służy do wytwarzania kształtek w postaci długich prętów lub taśm. Uzyskuje się gęstości rzędu (0,8-0,9)rL (podobnie jak przy prasowaniu w matrycach zamkniętych). Schemat urządzenia do prasowania kroczącego; 1 - podłużna matryca, 2 - przesuwający się tłok, 3 - proszek

95 4. Wyciskanie proszków na zimno Kształtki w postaci prętów i rur wytwarza się z proszków w procesie wyciskania współbieżnego. Proces może być prowadzony z dodatkiem lub bez dodatku plastyfikatora (substancji zlepiającej: np. stearyny lub skrobii). Wyroby wyciskane poddaje się spiekaniu, podczas którego plastyfikator odparowuje. Sposób znajduje zastosowanie dla proszków o małej formowalności (np. z wolframu, niobu, węglika wolframu itp.). Proszki metali plastycznych wyciska się bez dodatku plastyfikatora, przy czym konieczne jest stosowanie dużych stopni odkształcenia. Technologia wyciskania bez plastyfikatorów stwarza trudności, gdyż wskutek tarcia na wyjściu z matrycy pojawiają się naprężenia rozciągające, prowadzące do lokalnego spadku gęstości i powstawania pęknięć. Aby tego uniknąć stosuje się m. in. wstępne zagęszczanie proszku w pojemniku poprzez nacisk stempla przy zamkniętym otworze matrycy

96 Wyciskanie współbieżne z proszku: a) pręta, b) rury; 1 - pojemnik, 2 - tuleja pojemnika, 3 -stempel, 4 -przekładka, 5 -matryca, 6 -płyta matrycy, 7 - proszek wyciskany (uformowany), 8 trzpień

97 5. Odlewanie i napylanie gęstwy Formowanie kształtek o skomplikowanych kształtach z proszków o niskiej formowalności i zagęszczalności (np. ceramicznych i ceramiczno - metalicznych) realizuje się za pomocą odlewania gęstej zawiesiny proszku w cieczy z dodatkami poprawiającymi lejność i zapobiegającymi zlepianiu się drobin proszku (tzw. gęstwy). Formy odlewnicze wykonuje się z porowatego materiału wchłaniającego ciecz (np. z gipsu). Kształtki po wyjęciu z form odlewniczych są suszone i poddawane spiekaniu. Możliwe jest uzyskanie gęstości do 0,98 r L Zasada odlewania gęstwy; a)forma, b)zalewanie gęstwy, c)uzyskana kształtka

98 6. Prasowanie izostatyczne w komorach wysokociśnieniowych Prasowanie izostatyczne polega na zagęszczaniu proszku umieszczonego w elastycznej formie za pomocą wysokiego ciśnienia hydrostatycznego. Elastyczna forma wraz z zasypaną odpowiednią porcją proszku zostaje umieszczona w komorze ciśnieniowej i poddana działaniu cieczy pod wysokim ciśnieniem. Po zakończeniu prasowania następuje dekompresja, wyjęcie z komory ciśnieniowej formy z wypraską i usunięcie formy. Omawiany sposób prasowania jest możliwy do zastosowania tylko dla materiałów ściśliwych (rozdrobnionych lub spiekanych o porowatej strukturze). Istotną zaletą jest duża jednorodność otrzymywanych wyprasek.

99

100 7. Wibracyjne zagęszczanie proszków Za pomocą wibratorów pneumatycznych, elektromechanicznych lub elektromechanicznych zagęszcza się proszek w matrycy lub odpowiedniej formie. Przenoszenie drgań odbywa się w jeden z następujących sposobów: wprawienie w drgania poosiowe matrycy i 2 stempli prasujących wprawienie w drgania poosiowe formy z proszkiem, na którego powierzchnie wywierany jest nacisk statyczny wprawienie matrycy w drgania obrotowo-zwrotne, przy niedrgających stemplach.

101 Rodzaj wibratora parametry procesu (moc, częstotliwość amplituda drgań, przyspieszenie) dobiera się w zależności od masy, kształtu i wymaganej gęstości formowanej kształtki.

102 8. Walcowanie proszków Stosując odpowiednie gnioty można wytwarzać w procesie walcowania wzdłużnego wyroby w postaci taśm bezpośrednio z proszku. Otrzymane taśmy poddaje się następnie spiekaniu. Mają one strukturę porowatą, a uzyskanie odpowiednich własności wytrzymałościowych i plastycznych wymaga zwykle dalszej obróbki plastycznej i ponownego spiekania. Sposoby walcowania taśmy z proszku: kotlina walcownicza może być usytuowana pionowo (a) lub poziomo (b i c); 1 - walec, 2 - zasobnik proszku, 3 - podajnik śrubowy

103 Spiekanie

104 Spiekanie polega na wygrzewaniu proszku lub uformowanej kształtki przez określony czas, w odpowiedniej temperaturze i atmosferze. W efekcie otrzymuje się materiał spiekany, który odznacza się pewną spoistością (w przypadku spiekania proszku) lub wyższą wytrzymałością niż uformowana kształtka. Zasadnicze zjawiska to: przemieszczanie się atomów (transport masy) dyfuzja powierzchniowa i objętościowa, płynięcie wywołane ciśnieniem kapilarnym, parowanie i kondensacja. Przyczyna: nadwyżka energii układu cząstek proszku (duża powierzchnia właściwa). Obniżenie energii układu: poprzez zmniejszanie się powierzchni swobodnych cząstek (tworzenie szyjek łączących poszczególne cząstki, wygładzanie nieregularnych powierzchni swobodnych oraz sferoidyzacja i zmniejszania się pustek aż do ich zanikania)

105 Mikrostruktura spiekanego proszku Cu; a) przed spiekaniem, b) po spiekaniu w temperaturze 1000 K, c) po spiekaniu w temperaturze 1050 K, d) po spiekaniu w temperaturze 1130 K

106 Podstawowe warunki spiekania to: temperatura, czas spiekania, skład chemiczny atmosfery pieca. W zależności od zastosowanej temperatury rozróżnia się spiekanie: w fazie stałej, 0,7-0,8 temperatury topnienia metalu spiekanego z udziałem fazy ciekłej, temperatura jest tak dobrana, że niektóre składniki mieszanki proszkowej przechodzą w stan ciekły. z udziałem zanikającej fazy ciekłej. ma miejsce, gdy składniki mieszanki proszkowej tworzą roztwory w stanie stałym (np. Fe - Cu, Fe - P, Cu - Sn). Zachodzi wtedy dyfuzja składnika ciekłego w głąb fazy stałej.

107 TEMPERATURA SPIEKANIA [ C] ŻELAZO/ STAL STOPY ALUMINIUM MIEDŹ MOSIĄDZ BRĄZ METALE WYSOKOTOPLIWE

108 SKŁAD ATMOSFER DO SPIEKANIA ATMOSFERA SKŁAD (%) PRZEWODNOŚĆ CIEPLNA 1. azot N 2 H 2 C O > wodór (sprężony) - CO 2 CH 4 O 2 (ppm ) DP ( C) inne (powietrze=1) < > wodór (elektrolitycznie czysty) - > azot + wodór 5. azot + zdysocjowany CH 3 OH reszt a reszt a * < * dysocjowany amoniak gaz egzotermiczny < gaz egzotermiczny (oczyszczony) < gaz endotermiczny ( z C 3 H 8 ) gaz endotermiczny ( z dodatkiem węglowodorów) Rem * < / * argon <10-65 Ar> hel (sprężony) <10-65 He> próżnia, 10-2 torr zależnieodwarunków <-60 - nieznaczna. 14. próżnia, powyżej 10-5 torr zależnieodwarunków <-80 - nieznaczna. 6

109 MATERIAŁ ZASTOSOWANIE ATMOSFER DO SPIEKANIA ATMOSFERY Stopy Al a a a a a a a a a a ALNICO a a a a a a a a a a a a a MOSIĄDZ a a a a a a a a a a BRĄZ, MIEDŹ a a a a a a a a a METALE WYSOKOTOPLIWE a a a a a a a a a a STALE SS a a a a a a a a a a a a Mo, Co, W a a a a a a a a METALE REAKTYWE (Ti, Nb, Ta etc) I CERMETALE STOPY MAGNETYCZNIE MIĘKKIE (Fe, Fe- Ni, Fe-P, Fe-Co, Permalloy ) a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a STOPY MAGNETYCZNIE MIĘKKIE Fe-Si a a a a a a a a a a a a STALE NIERDZEWNE a a a a a a a a a a -STALE NISKOWĘGLOWE I NISKOSTOPOWE (Ni, Cu, Mo, P) a a a a a a a a a STALE CHROMOWE I MANGANOWE a a a a a a a a a ŚREDNIOWĘGLOWE STALE STOPOWE a a a a a a a a a a a SPECJALNIE ADAPTOWANE; NIEBEZPIECZNE!

110 Połączenie formowania ze spiekaniem Połączenie operacji formowania (prasowania w matrycy zamkniętej) ze spiekaniem znajduje zastosowanie do wytwarzania wyrobów o niskiej porowatości i wysokiej wytrzymałości z proszków metali trudnotopliwych i ceramicznych. Procesy spiekania przebiegają intensywnie pod ciśnieniem, a ponadto podwyższona temperatura pozwala na obniżenie nacisku prasowania. Ewentualne stosowanie atmosfer ochronnych zapobiega utlenianiu proszków. Schemat prasowania na gorąco w matrycy zamkniętej: a) z podgrzewaniem proszku, b) z podgrzewaniem matrycy, c) w piecu; 1 - stemple, 2 - matryca, 3 - proszek, 4 - elektrody miedziane chłodzone wodą, 5 - układ elektryczny, 6 - piec, 7 - elementy grzewcze

111 Obróbka wykańczająca

112 Obróbka wykańczająca spieków składa się z: obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej, wykonywanej w celu polepszenia własności wyrobów spiekanych, które można poddać hartowaniu i odpuszczaniu, przesycaniu i starzeniu lub obróbce cieplno-chemicznej nawęglaniu lub azotowaniu; utleniania w parze wodnej w celu poprawienia odporności na korozję i zmiana własności fizycznych i mechanicznych; kalibrowania, przeprowadzanego na gotowych produktach w celu uzyskania wyższej dokładności wymiarowej, poddając je naciskom znacznie niższym niż podczas formowania;

113 nasycania spieków metalami ( stosowanego w celu zmniejszenia porowatości spieku, poprzez zanurzenie porowatego szkieletu w roztopionym metalu lub wygrzewaniu szkieletu wypełnionego proszkiem nasycającym w piecu) lub niemetalami; obróbki plastycznej i skrawaniem, wykonywanej w celu uzyskania wymaganych cech geometrycznych i własności, stosowana dla spieków obróbka plastyczna to np. kucie i walcowanie, a stosowana obróbka skrawaniem to np. szlifowanie.